摘 要: 采用PLC脈衝(chong) 輸出信號控製步進電機沿X軸與(yu) Y軸運動，通過發送脈衝(chong) 的個(ge) 數實現精確定位的功能。使用真空吸盤代替機械手手爪，實現了對特殊材料的吸取與(yu) 釋放。重點介紹了氣動控製係統、PLC控製係統及觸摸屏畫麵的設計。實踐證明，該係統操作方便、運行平穩、定位準確、能夠對物料進行安全有效的搬運，使用效果良好。

關(guan) 鍵詞: 機械手； 控製係統;精確定位;步進電機； PLC

物料搬運機械手在高溫、重載、多粉塵的危險環境中應用普遍，不但可以減輕工人的勞動強度，還可以大大提高生產(chan) 的效率[1-2]。在實際應用中，一般的物料搬運定位控製大多采用可編程控製器PLC加脈衝(chong) 定位模塊進行定位控製，此方法結構複雜，硬件成本高[3-4]。本文直接利用PLC本身的高速脈衝(chong) 輸出端口分別控製X軸與(yu) Y軸的步進電機，通過控製脈衝(chong) 的個(ge) 數，分別實現X軸與(yu) Y軸精確的定位功能。使用真空吸盤代替機械手手爪，實現了對特殊材料(如外形不規則、夾持易碎等)的吸取與(yu) 釋放[5]。該係統結構簡單、運行平穩、定位準確、可以搬運氣動手爪無法搬運的物料。

該機械手由X軸、Y軸滾珠絲(si) 杠機構，Z軸升降氣缸與(yu) 真空吸盤抓取機構等組成。步進電機通過聯軸器連接X軸與(yu) Y軸絲(si) 杠，控製脈衝(chong) 的個(ge) 數，實現X軸與(yu) Y軸精確的定位功能。機械手到達指定的位置後，通過Z軸升降氣缸與(yu) 真空吸盤的控製，可以完成物料的吸取與(yu) 釋放。機械手總體(ti) 結構如圖1所示。

(1) 操作模式分為(wei) 手動和自動方式兩(liang) 種。通過觸摸屏的觸摸手動或自動操作按鈕，分別進入手動與(yu) 自動操作界麵。

(2) 手動操作時，通過觸摸屏操作X軸與(yu) Y軸的正、反轉點動按鈕，將機械手運行至任何位置，並可進行原點返回。按下上升與(yu) 下降按鈕可完成Z軸氣缸的上升與(yu) 下降動作，按下吸取與(yu) 釋放按鈕，可完成工件的吸取與(yu) 釋放動作。

(3) 自動操作時，機械手按圖2的工件位置進行搬運，初始位置位於(yu) 原點(在②位的左側(ce) )，首先將工件從(cong) 1號位置搬運至2號位置，然後由2號位置搬運至3號位置，最後回到1號位置，進入下個(ge) 周期。

(4) 按下停止按鈕時，機械手並不立即停止，要等到一個(ge) 周期結束後，方可停止。

(5) 為(wei) 了防止X軸與(yu) Y軸發生越程故障，X軸與(yu) Y軸應有極限保護功能。

根據機械手的控製要求，機械手共有1個(ge) 執行氣缸來完成Z軸(上升與(yu) 下降)運動，1個(ge) 真空發生器帶動真空吸盤完成物料吸放任務，執行氣缸與(yu) 真空發生器由二位五通電磁閥控製，均采用雙電控電磁閥。電磁閥出氣口安裝有節流閥，用來調節氣體(ti) 流量的大小確保氣缸的動作平穩可靠[6-8]。氣缸選擇活塞帶磁性的氣缸，便於(yu) 利用磁性開關(guan) 來檢測氣缸活塞的位置，即檢測活塞的運動行程。為(wei) 了確保真空發生器產(chan) 生的負壓能夠吸住物體(ti) ，采用氣壓傳(chuan) 感器檢測負壓大小[9-12]。設計的機械手氣動回路如圖3示。

根據機械手搬運物料的控製要求，輸入信號中升降氣缸動作是否到位采用2個(ge) 磁性開關(guan) 來檢測；為(wei) 了確保真空發生器產(chan) 生的負壓能夠吸住物體(ti) ，采用一氣壓傳(chuan) 感器來檢測。X軸與(yu) Y軸分別裝有限位及原點開關(guan) ，加上啟動、停止、複位、急停按鈕，共占用PLC的13個(ge) 輸入點。輸出信號有：控製X軸與(yu) Y軸的脈衝(chong) 與(yu) 方向信號，氣缸升降、吸取與(yu) 釋放電磁閥，加上啟動、停止、複位指示燈，共占用11個(ge) PLC輸出點。考慮到設備的擴展功能，選用三菱FX3U-32MT的PLC可滿足控製要求，三菱plc 輸入輸出點的具體(ti) 分配見表1所示。

根據機械手控製係統的輸入/輸出分配表，設計PLC控製係統電氣原理圖如圖4和圖5所示。圖4中，PLC選擇晶體(ti) 管輸出型及三菱FX3U-32MT內(nei) 置獨立3軸最高100 kHz的定位功能，完全能滿足機械手搬運物料的定位控製要求。QF為(wei) 自動空氣開關(guan) ，主要控製PLC電源與(yu) 直流開關(guan) 電源，同時具有短路、過載等保護。T1為(wei) 24 V直流開關(guan) 電源，提供PLC輸入/輸出電路、步進電機驅動器及觸摸屏的直流電源。磁性開關(guan) 有藍色和棕色2根引線，設計線路時，注意藍色線接低電位，棕色線接高電位，由於(yu) 采用三菱FX3U的PLC，輸入電路需要接24 V電源，考慮到氣壓傳(chuan) 感器檢測開關(guan) 為(wei) PNP型，因此將PLC的S/S端接開關(guan) 電源-24 V端子;磁性開關(guan) 的棕色線與(yu) 氣壓傳(chuan) 感器棕色線接直流開關(guan) 電源+24 V端子，藍色線分別接PLC的X端子。

FX3U-32MT的輸出端子Y0—Y3具有輸出高速脈衝(chong) 的功能，因此必須控製步進電機驅動器的脈衝(chong) 端。其中，Y0、Y2分別為(wei) X軸步進驅動器的脈衝(chong) 輸入信號和方向輸入信號，Y1、Y3分別為(wei) Y軸步進驅動器的脈衝(chong) 輸入信號和方向輸入信號。考慮到設備在使用過程中的安全性，防止因程序編寫(xie) 有誤或其他原因導致越程故障而損壞設備，在X軸與(yu) Y軸分別設置2個(ge) 極限開關(guan) ，分別是SQ1、SQ2、SQ5、SQ6，設備運行過程中，到達X軸或Y軸的極限點，以上開關(guan) 會(hui) 閉合，從(cong) 圖5中可以看出，此時KA中間繼電器吸合，KA兩(liang) 對常開觸點分別接通兩(liang) 台步進電機驅動器的使能端，此時步進電機停止運行，從(cong) 而起到保護設備的作用。Y4—Y12主要驅動3隻指示燈與(yu) 4隻電磁閥線圈，負載電壓均為(wei) 直流24 V。

根據機械手自動控製要求設計的機械手自動運行流程圖見圖6。機械手起始在原點位置，當按下啟動按鈕後，機械手首先前進至1號位置。在X軸方向，1號位置距離原點為(wei) 11.9 mm,在Y軸方向，1號位置距離原點為(wei) 49.4 mm，機械手步進電機的步距角為(wei) 1.8°，在無細分的條件下，步進電機轉1圈需要200個(ge) 脈衝(chong) 。為(wei) 了提高控製的精度，將步進驅動器的細分係數選擇4,此時步進電機轉1圈需要800個(ge) 脈衝(chong) 。由於(yu) 機械手絲(si) 杠的螺距為(wei) 5 mm，因此，在X軸方向發送1 904(11.9×8÷5)個(ge) 脈衝(chong) ，在Y軸方向發送7 904(49.4×800÷5)個(ge) 脈衝(chong) ，可到達1號位置。

機械手到達1號位置時，Z軸氣缸下降吸取工件後上升，前進至2號位置。在X軸方向，2號位置距離1號位置為(wei) 160 mm，在Y軸方向，2號位置距1號位置為(wei) 140 mm，因此需要發送脈衝(chong) 分別為(wei) 25 600個(ge) 和22 400個(ge) 。

機械手到達2號位置，進行工件釋放，釋放後延時2 s，再進行工件吸取，並前進至3號位置。在X軸方向，3號位置距2號位置為(wei) 0 mm，在Y軸方向，3號位置距2號位置為(wei) 160 mm，因此，X軸不需發脈衝(chong) ，Y軸發送22 400個(ge) 。到達3號位置進行工件釋放，釋放後延時2 s，回到1號位置，進入下一個(ge) 周期。

采用三菱觸摸屏作為(wei) 機械手的人機界麵，分別設計歡迎主界麵、手動控製界麵、自動控製界麵。用GT-desinger軟件的工程向導依次完成觸摸屏的係統設置、連接機器設置、畫麵切換元件的設置等。機械手手動控製畫麵如圖7所示，歡迎主界麵、自動控製界麵與(yu) 手動控製畫麵相似。

歡迎主界麵中手動與(yu) 自動按鈕屬於(yu) 多用動作按鈕，具有位開關(guan) 與(yu) 畫麵切換兩(liang) 種功能。手動控製界麵中的X軸正轉點動、反轉點動、回原點、停止開關(guan) 分別與(yu) PLC輔助繼電器M0—M3對應；Y軸正轉點動、反轉點動、回原點、停止開關(guan) 分別與(yu) PLC輔助繼電器M10—M13對應；氣缸上升與(yu) 下降、吸取與(yu) 釋放分別與(yu) PLC的輔助繼電器M20—M23對應，以上開關(guan) 均屬於(yu) 位開關(guan) 、點動屬性。

氣缸動作指示燈分別與(yu) PLC的實際輸出Y4—Y7對應，屬於(yu) 位狀態指示燈。返回主界麵按鈕屬於(yu) 畫麵切換開關(guan) 。自動控製界麵中啟動、停止、複位按鈕分別與(yu) PLC的輔助繼電器M32、M41、M40對應，屬於(yu) 位開關(guan) 、點動屬性。

本係統應用了PLC技術、觸摸屏技術、步進電機控製技術等，通過PLC編程，可實現任一位置的精確定位功能。實踐表明，該係統操作方便、運行可靠、定位精確、使用效果良好。其方法與(yu) 技術可擴展到機械、冶金、化工等行業(ye) ，具有廣闊的應用前景。